Hans Christian Ørsted 1777 - 1851 Elektromagnetismen

H.C. Ørsted: Elektromagnetismen

Hans Christian Ørsted var en flittig og begavet forsker. I hans forsøg på at skabe en stor sammenhængende teori, der kunne forklare kemi og fysik, opdagede han sammenhængen mellem elektrisk strøm og magnetisme, elektromagnetismen.

Se filmen om H.C. Ørsted

Personen H.C. Ørsted

Helt utroligt videbegærlig

H. C. Ørsted

H. C. Ørsted

H.C. Ørsted – eller Hans Christian Ørsted – var en meget alsidig og aktiv person. Han var intelligent, helt utroligt videbegærlig og holdt fast i sine ideer, uanset hvad han mødte af modstand. Han havde ingen fjender men var tværtimod god til at få venner, som han holdt af at støtte og hjælpe.

H.C. Ørsted blev født i 1777 og voksede op på Langeland. Hans far var apoteker i Rudkøbing, og var rig nok til at købe undervisning til sine børn. Det var usædvanligt at få undervisning dengang, så det var de to ældste brødre Anders Sandøe Ørsted og Hans Christian Ørsteds held. De to var arbejdsomme og lærenemme og havde stor appetit på at lære nyt. Det skulle vise sig, at de begge kom langt i deres karrierer. Anders blev senere landets statsminister. Hans Christian blev som bekendt en af landets største videnskabsmænd nogensinde.

Hans Christian fik som 11-årig en livslang interessere for kemi, mens han hjalp til i sin fars apoteks laboratorium. Men man kunne ikke studere faget kemi på universitetet i slutningen af 1700-tallet. Det studie, der mindede mest om kemi, var apotekerfaget farmaci. Så H.C. Ørsted tog eksamen som farmaceut i 1797. Undervejs i studiet løste han universitetsopgaver ved siden af studierne. Og efter sin eksamen skrev han doktordisputats i filosofi. Han var ivrig og flittig og havde store ambitioner.

Da han var godt og vel 20 år, naturfilosof og farmaceut, begyndte han sin karriere på universitetet i København. I begyndelsen gik det ikke særlig nemt for ham. Ørsted havde sine egne, utraditionelle betragtninger om videnskab, og han var stærkt optaget af at skabe en stor filosofisk teori om fysik og kemi. Det var målet for hans forskning resten af livet. Men fordi hans ideer var utraditionelle, og gik imod tidens anerkendte videnskabelige ideer, mødte han modstand igen og igen.

I mange år måtte han derfor ernære sig ved at undervise privat og holde offentlige foredrag for betalende interesserede. Ørsteds foredrag med flotte og underholdende kemiske og fysiske forsøg blev meget populære i København.

Han benyttede ofte en såkaldt voltasøjle såvel i laboratoriet som under sine foredrag. Voltasøjlen er et mærkeligt apparat, som består af metalskriver, adskilt af små stykker stof, der er fugtet i saltvand eller tynd syre. Den blev opfundet i år 1800 af italieneren Volta, og producerede elektrisk strøm på en hidtil uset måde. I dag ville vi kalde den et klodset og primitivt batteri, men dengang var voltasøjlen den vildeste raket-videnskab.

Ørsted eksperimenterede med søjlen, og forbedrede den så tidligt som 1801. Han udførte elektriske eksperimenter og undersøgte, hvordan kemi blev påvirket af elektricitet. Det var under den form for eksperimenter og undersøgelser, han cirka 20 år senere i 1820 opdagede, at en elektrisk strøm påvirker en magnet.

På det tidspunkt var H. C. Ørsted blevet professor på universitet. Men hans teori var stadig ugleset af stort set alle andre videnskabsfolk. Ørsted kaldte sin teori for sit dynamiske system. Den var først og fremmest baseret på filosofi og i dag ville vi ikke kalde et sådant filosofisk værk for naturvidenskab. Man kan altså sige, at Ørsted ikke var naturvidenskabsmand, som vi opfatter det i dag. Han gættede og tænkte sig frem til alt for mange konklusioner ved at bruge logik.

Men det var netop Ørsteds utraditionelle teori, som førte ham til opdagelsen af elektromagnetismen. Han var nemlig ifølge sin egen dynamiske teori overbevist om, at der måtte være en sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme – en sammenhæng, som benægtedes af datidens fysikere.

Det var derfor en enorm triumf for Ørsted, da han i 1820 kunne påvise, at en magnetnål bliver vredet på tværs, hvis den kommer tæt på en strømførende ledning. Opdagelsen forbløffede hele den videnskabelige verden, og skaffede ham international berømmelse og respekt. Herhjemme blev H.C. Ørsted Danmarks berømte fysiker.

Derved fik han magt og indflydelse til at gennemføre en række andre livsprojekter. Han havde længe villet skabe bedre forhold for naturvidenskab på universitetet, ikke mindst kemi, fysik og ingeniørkunst. Han mente, det ville hæve Danmarks tekniske og videnskabelige niveau til gavn for økonomien i landet.

Han blev en afgørende drivkraft i en modernisering af det danske uddannelsessystem, og fik oprettet den første polytekniske læreanstalt, som i dag kendes som DTU. Og han fik kort før sid død indført et naturvidenskabeligt fakultet på Københavns Universitet.

Også kulturelt spillede H.C. Ørsted en stor rolle. Han støttede for eksempel H.C. Andersen, som var en ung poet med en lysende fremtid. H. C. Ørsted så Andersens talent før alle andre.

Ørsted blev derved en person, som ikke blot ændrede vores forståelse af fysikkens regler, men han fik også stor indflydelse på hele det danske samfund.

Opdagelsen

H. C. Ørsted opdagede, at en elektrisk strøm påvirker en magnet.Under forsøg anbragte han en magnetnål – vi kender det som en kompasnål – under en elektrisk ledning. En kompasnål peger som bekendt altid mod den magnetiske nordpol her på Jorden. Men når Ørsted tilsluttede strømmen fra sit meget store, hjemmelavede batteri kunne han se, at magnetnålen drejede, så den pegede i en anden retning end mod jordens magnetiske nordpol.

Når der ikke er strøm i ledningen viser kompasnålen korrekt nord. Men når strømmen tændes, flytter kompasnålen sig. Illustration: LARSEN ET RASMUSSEN

Når der ikke er strøm i ledningen viser kompasnålen korrekt nord. Men når strømmen tændes, flytter kompasnålen sig.
Illustration: LARSEN ET RASMUSSEN

Ved at studere fænomenet i detaljer, kunne Ørsted udlede:

1)    At en elektrisk strøm i en ledning påvirker en magnetnål i en retning, som går på tværs af ledningens retning.

2)    At magnetnålen drejer modsat, hvis strømmen vendes.

3)    At virkningen drejer rundt om ledningen, sådan at hvis magnetnålen drejer til venstre, når kompasnålen er placeret  over ledningen, vil den dreje mod højre under ledningen.

Her ses hvordan magnetfeltet omkring ledningen påvirker magnetnålen. Magnetfeltet skabes vinkelret på ledningen. Illustration: LARSEN ET RASMUSSEN

Her ses hvordan magnetfeltet omkring ledningen påvirker magnetnålen. Magnetfeltet skabes vinkelret på ledningen.
Illustration: LARSEN ET RASMUSSEN

Elektromagneter

Det, Ørsted opdagede i 1820, er det princip, vi i dag laver elektromagneter med. En elektromagnet virker nemlig ved, at en elektrisk ledning, som er viklet rundt og rundt på en spole, skaber et magnetfelt.

Senere fandt den engelske videnskabsmand Michael Faraday ud af, at virkningen går begge veje. Det vil sige, at man ved at bevæge en magnet over en ledning kan skabe en elektrisk strøm i ledningen. Det gav Faraday den ide, at man kunne skabe en elektromotor.

Endnu senere, i 1865 udgav skotten Maxwell den forklaring, vi i dag kalder elektromagnetismen: Et sæt matematiske ligninger, som beskriver de regler, som gælder for elektriske og magnetiske felter.

Elektromagnetismen er en af de opdagelser, som har ændret menneskers materielle vilkår mest nogensinde. I vore dage skabes næsten al den elektricitet, vi forbruger, ud fra elektromagnetismens regler. Nemlig ved at magneter og ledninger bevæges hurtigt i forhold til hinanden, hvorved en strøm induceres i ledningerne. Det er sådan vindmøller, kraftværker og bilers generatorer producerer elektricitet.

Nutiden

Ikke en rigtig naturvidenskabsmand

I dag ville man ikke kalde Ørsteds store dynamiske teori for naturvidenskabelig. Alligevel står Ørsted tilbage som en af Danmarks største videnskabsmænd nogensinde. Men det skyldes, at videnskab har ændret sig. På Ørsteds tid var der færre faste rammer og tydelige regler for, hvordan naturvidenskabelig forskning skulle foregå.

Nu taler man on ”Den naturvidenskabelige metode”. Men i virkeligheden er der ikke tale om en enkelt metode, men derimod mange varianter, alt efter hvilke videnskaber, man arbejder i.

De tanker, som ligger bag naturvidenskaben, er udviklet langsomt hen over århundrederne og frem til i dag. Den første begyndelse var, da man for omkring 1000 år siden så småt begyndte at overveje at bygge viden på eksperimenters resultater frem for filosofi og debat. Det betyder, at hvis man vil påstå, at noget er sandt, skal man kunne dokumentere det med et eksperiment. Og andre skal kunne få det samme resultat, hvis de gentager eksperimentet. Ellers kan man ikke sige, at den viden, man har, er sand.

Ideen vandt for alvor fodfæste hos tænkere omkring 15-1600-tallet. I dag er den helt grundfæstet i naturvidenskab. Men på Ørsteds tid filosoferede man sig stadig til megen viden om naturen. Så den måde, han arbejdede på, var helt anerkendt i hans samtid.

Men i dag skal al naturvidenskabelig viden baseres på observationer eller eksperimenter, for eksempel på denne måde:

Hypotese

Ud fra observationer antager man en såkaldt hypotese. Lad os tage et fjollet eksempel: Lad os forestille os en hypotese om, at folk med mørkt hår er bedre til fodbold end lyshårede. For at undersøge, om hypotesen er gyldig, må man nu arrangere et eksperiment, som kan afgøre spørgsmålet.

Undersøgelse

Først deler man så en gruppe fodboldspillere op i mørkhårede og lyshårede spillere, og skriver ned, hvem som er hvad. Derefter dækker man hår og andre kendetegn til på spillerne og giver dem i stedet et nummer. Nu kan man altså ikke længere se om en spiller er mørkhåret eller lyshåret – det kalder man, at eksperimentet er blindt. Det er nødvendigt, fordi ellers har man tendens til at snyde sig selv undervejs i eksperimentet.

Nu arrangerer man så hold og kampe, hvor man omhyggeligt fører regnskab med, hvem som vinder og taber. Først bagefter afdækker man håret på alle spillerne og sammenligner med resultaterne. Nu kan man så se i sine optegnelser, om hypotesen var rigtig.

Hvis hypotesen viser sig at være rigtig – og rigtig hver gang eksperimentet udføres – har man en videnskabelig teori. En videnskabelig teori er altså en hypotese, som er eftervist talrige gange.

En kendt videnskabsfilosof Popper har foreslået, at det er meget vigtigt for en videnskabelig teori, at den også kan vise sig at være forkert. Man siger, at den skal være falsificerbar.

Forfra igen

I det ovennævnte tilfælde betyder det, at eksperimentet skal kunne give svaret ”nej” og ikke kun ”ja”. Ellers er hypotesen ikke videnskabelig. Men det kunne eksperimentet jo. Og det vil da også være underligt, hvis det ikke en dag viser sig, at de lyshårede er bedst i eksperimentet. Dermed vil hypotesen være falsificeret. Og det betyder, at den er forkert.

Når det sker, må man begynde forfra med at udvikle en bedre hypotese om, hvorfor nogle hold vinder over andre i fodbold. Igen skal hypotesen kunne testes for sin gyldighed, hvis den skal være videnskabelig.

Det er efter denne forholdsvis simple metode, at al naturvidenskabelig viden i vor tid bliver til. Det er denne enkle fremgangsmåde, som har ført til den imponerende indsigt, vi i dag har i, hvordan vore kroppe fungerer, hvordan fysikkens regler er, hvordan universet er bygget op og hvilke regler, som styrer biologien og jordens udvikling.

Ny forskning: Fremtidens fleksible elsystem

Når vores energisystem skal baseres på vind, kræver det ikke kun et mere intelligent system til distribution. Det kræver også, at forbrugerne bliver mere fleksible og tilpasser deres forbrug efter elnettet. Først da skaber vi et ægte smart grid.Af: Mette Løgeskov Lund, Experimentarium

Daniel Esteban Morales Bondy - Foto: Daniel Esteban Morales Bondy

Daniel Esteban Morales Bondy – Foto: Daniel Esteban Morales Bondy

I 2050 skal Danmark være uafhængig af fossile brændstoffer. Det betyder, at de grønne teknologier som vindenergi for fremtiden skal mætte danskernes energibehov. Men det er en udfordring for elnettet, for det er sværere at styre produktionen fra de grønne teknologier – for hvor meget blæser det præcis i morgen eller om en time?

Derfor arbejder forskere på blandt andet DTU på at lave teknologier til gøre fremtidens elnet langt mere fleksibelt.

”Du kan ikke planlægge vind. Med grønne energikilder kan du ikke styre produktionen efter forbruget, som vi gør nu. Så efterhånden som vindenergi tager over i elnettet er vi nødt til at ændre systemet, så det bliver mere fleksibelt og kan udnytte de grønne ressourcer optimalt,” siger Daniel Esteban Morales Bondy, der til dagligt bare kalder sig Esteban. Han er ph.d.studerende på Center for Electric Power and Energy (CEE) ved DTU Risø campus og forsker i løsninger til fremtidens elsystem.

Proaktive forbrugere

Nuværende produktion er baseret på forudsigelser af forbruget. Når en stadig større del af energien kommer fra vind og andre grønne kilder, der er sværere at styre, vil der komme et større fokus på at skabe fleksible forbrugere, der bruger strøm, når der er meget af den; og mindsker forbruget, når der er for lidt.

”Forbrugeren skal ikke længere være en passiv forbruger, men tage en aktiv rolle i driften af elsystemet ved at ændre deres forbrug til fordel for systembalancen – altså balancen mellem produktion og forbrug. De skal være proaktive forbrugere,” siger Esteban.

Men for at den enkelte husholdnings fleksible forbrug kan komme elnettet ordentligt til gavn, er det nødvendigt at pulje det sammen i større enheder.

”Det, vi ser som løsning, er en ny markedsenhed, en aggregator, som samler fx 1.000 eller 10.000 kunder til en fælles enhed. Aggregatoren kan så byde en ændring i forbrugernes opførsel, i forhold til hvad de ellers ville have gjort, ind på elmarkedet. Med andre ord: aggregatoren byder deres fleksibilitet ind på markedet,” forklarer han. Aggregatoren er derved med til at sikre, at elnettet er i balance mellem produktion og forbrug. For når der ikke er balance, risikerer vi systemnedbrud eller blackouts, hvor dele af byer fx mister al el.

Testplatform

Det kræver, at aggregatoren er god og pålidelig, og det er her Estebans ph.d. projekt kommer ind i billedet.

”Jeg udvikler en platform til at teste forskellige systemarkitekturer for en aggregator. Det kræver en helhedsanalyse, hvor jeg tester forskellige scenarier for, hvordan systemet håndterer det, når forbruget eller produktionen fx falder,” forklarer han.

Esteban og hans kolleger udvikler derfor matematiske algoritmer og software, programmerer systemet og sikrer, at kommunikationen til de enkelte enheder fungerer. Alt sammen for at skabe et intelligent system, hvor den almindelige forbruger kan levere et fleksibelt forbrug og derved være med til at sikre et stabilt elnet.

Han tester platformen i et område på DTU Risø campus, hvor der både er vindmøller, solpaneler, 3 huse med fleksibelt forbrug, elbiler og et simuleret baggrundsforbrug bestående af styrbare forbrugsenheder. Her kan han skrue op og ned for forbruget og se, hvad der sker, når vinden fx ikke blæser. På den måde sikrer han, at aggregator-platformen bliver testet til at håndtere forskellige forhold.

Lovgivning udfordrer fleksibelt system

Selvom Esteban Bondy ser store muligheder i at binde den grønne energi sammen med den fleksible forbruger til et fleksibelt elnet, er det kun en del af løsningen, når der skal skabes et ægte smart grid. Mange andre arbejder på også at gøre andre dele af systemet, fx selve distributionsnettet, intelligent og fleksibelt.

Derudover er der lige nu en udfordring i lovgivningen, for at det kan blive en realitet.

Fx skal markedsforholdene ændres så eksempelvis aggregatorer kan spille ind og skabe konkurrence i levering af systemydelser til at balancere elnettet.

Derudover er det vigtigt at få installeret smartmålere til alle husstande. Så er det nemlig muligt at afregne el på time eller 5 minutters basis. Dermed kan forbrugerne aktivt vælge at bruge strøm, når det er billigt. Det bliver derfor et vigtigt parameter til modsat at skrue ned for forbruget, når der er pres på elnettet, ved at strømmen er dyr. Det viser flere undersøgelser allerede virker.

Og når det gælder elbiler, får lovgivningen også stor betydning:

”Elbiler bliver en stor fleksibel forbruger i fremtiden. Derfor skal loven gøre det mere attraktivt at have elbil,” siger Esteban.

Elbiler er en vigtig aftager af el men også som lager, der kan trækkes på, når bilen ikke er på farten. Hvis der atter kommer afgifter på elbiler, vil salget stoppe og dermed ikke realisere den del af fremtidens fleksible elsystem. I Norge har man fx udover afgifts- og momsfritagelse givet elbilejere den fordel, at de kan benytte busbaner, parkere gratis og slippe gratis igennem betalingsringe i byerne. Det har i 2014 givet omkring 36.000 elbiler på vejene, mens vi i Danmark kun har omkring 2.700.

Så selvom politikerne har sat sig fast på, at grønne energikilder skal overtage fra fossile, er der andre lovgivninger, der kan spænde ben for planerne.

Smart grid i 2020

Men trods udfordringerne regner Esteban med, at vi nok skal nå derhen. ”Jeg håber, at vi i 2020 har noget, der nærmer sig et smart grid,” siger han.

Personligt sætter han en ære i at være med til at skabe fremtidens mere bæredygtige elsystem. ”Jeg vil gerne efterlade en verden, hvor mine børn og børnebørn kan leve uden værre problemer med klimaforandringer; at vi har et vedvarende samfund. Min ph.d. er en lille prik, men den gavner i en eller anden forstand,” understreger han. Derfor regner han også med at fortsætte sin forskning, når hans ph.d. er færdig, så han kan blive på frontlinjen af, hvor viden opstår og være med til at gøre en forskel.

Se mere